摘(zhai)要：槽式(shi)孔闆 用(yong)于濕氣(qi)計量時(shi)，差壓值(zhi)會因氣(qi)液相間(jian)作用而(er)産生“過(guo)讀”,而采(cai)用旋進(jin)漩渦流(liu)量計 時(shi),旋進頻(pin)率會因(yin)液相增(zeng)大而産(chan)生“欠讀(du)”。通過分(fen)析槽式(shi)孔闆“過(guo)讀”和旋(xuan)進漩渦(wo)流量計(ji)“欠讀”的(de)影響因(yin)素,以空(kong)氣-水爲(wei)介質開(kai)展了一(yi)系列兩(liang)相流量(liang)計量實(shi)驗，建立(li)了各自(zi)的兩相(xiang)流量計(ji)量模型(xing)。将2種模(mo)型相結(jie)合建立(li)了穩态(tai)計量模(mo)型。測試(shi)結果表(biao)明,在本(ben)文實驗(yan)條件下(xia),當液相(xiang)流量小(xiao)于1.0m³/h時,利(li)用本文(wen)模型計(ji)算得到(dao)的氣相(xiang)流量相(xiang)對誤差(cha)在5%以内(nei)。
　　濕氣是(shi)一種特(te)殊的氣(qi)液兩相(xiang)流形态(tai),一般指(zhi)氣相體(ti)積含率(lü)大于90%,液(ye)相與其(qi)他組分(fen)體積含(han)率小于(yu)10%的氣井(jing)産出物(wu)口。對于(yu)濕氣計(ji)量,國内(nei)一般采(cai)用測試(shi)分離器(qi)進行分(fen)相計量(liang),但分離(li)設備一(yi)般比較(jiao)昂貴且(qie)占地面(mian)積較大(da),不适應(ying)于海洋(yang)石油平(ping)台。目前(qian)，國外僅(jin)有少數(shu)可以生(sheng)産多相(xiang)流流量(liang)計的廠(chang)家，價格(ge)非常昂(ang)貴,而且(qie)各産品(pin)僅在實(shi)驗範圍(wei)内保持(chi)精度。
　　由(you)于 差壓(ya)式流量(liang)計 具有(you)結構簡(jian)單、使用(yong)方便、運(yun)行可靠(kao)、對濕氣(qi)比較敏(min)感等優(you)點,被廣(guang)泛用于(yu)濕氣計(ji)量研究(jiu)[川]。通過(guo)改進孔(kong)闆結構(gou),采用槽(cao)式孔闆(pan)爲節流(liu)元件進(jin)行氣液(ye)兩相流(liu)計量,分(fen)别在中(zhong)國石油(you)大學(華(hua)東).大港(gang)油田、大(da)慶油田(tian)進行了(le)室内和(he)現場實(shi)驗,獲取(qu)了大量(liang)的實驗(yan)數據,提(ti)出了基(ji)于雙槽(cao)式孔闆(pan)的濕氣(qi)計量模(mo)型,通過(guo)在大港(gang)油田第(di)四采油(you)廠進行(hang)測試,其(qi)計量精(jing)度與國(guo)内外相(xiang)當(47]。由于(yu)雙槽式(shi)孔闆計(ji)量模型(xing)求解過(guo)程中可(ke)能會出(chu)現無解(jie)的情況(kuang),通過研(yan)究2種不(bu)同特性(xing)的流量(liang)計(槽式(shi)孔闆和(he)旋進漩(xuan)渦流量(liang)計)的計(ji)量特性(xing),建立了(le)各自的(de)兩相流(liu)量計量(liang)模型,并(bing)在此基(ji)礎上建(jian)立了濕(shi)氣穩态(tai)計量模(mo)型。實驗(yan)結果表(biao)明,對于(yu)液相流(liu)量小于(yu)1.0m³/h的工況(kuang)，利用本(ben)文模型(xing)計算得(de)到的氣(qi)相流量(liang)相對誤(wu)差在5%以(yi)内。
1槽式(shi)孔闆與(yu)旋進漩(xuan)渦流量(liang)計兩相(xiang)計量特(te)性分析(xi)
1.1槽式孔(kong)闆
　　槽式(shi)孔闆由(you)若幹圈(quan)徑向分(fen)布的小(xiao)孔組成(cheng)[],能使液(ye)相成分(fen)自由通(tong)過,差壓(ya)波動較(jiao)小,其流(liu)量方程(cheng)見式(1)~(2)
 
　　式(shi)(1)~(2)中:Gg爲氣(qi)體質量(liang)流量,kg/s;C爲(wei)流出系(xi)數;D爲管(guan)道内徑(jing),m;β爲節流(liu)元件孔(kong)徑比;ɛ爲(wei)氣體可(ke)膨脹性(xing)系數;△p爲(wei)節流元(yuan)件産生(sheng)的差壓(ya)，Pa;ρ爲流體(ti)密度,kg/m³;Asoe表(biao)示所有(you)槽孔面(mian)積總和(he),mm2;A爲管道(dao)的橫截(jie)面積,mm2。
　　 差(cha)壓式流(liu)量計用(yong)于單相(xiang)氣體計(ji)量時精(jing)度較高(gao)，但當用(yong)于濕氣(qi)計量時(shi)，由于液(ye)相對氣(qi)相阻塞(sai)造成的(de)加速壓(ya)降及氣(qi)相對液(ye)相加速(su)造成的(de)摩阻壓(ya)降造成(cheng)差壓值(zhi)偏高,從(cong)而計算(suan)得到的(de)氣相質(zhi)量流量(liang)也會增(zeng)大[!,這種(zhong)現象稱(cheng)爲“過讀(du)”。對于槽(cao)式孔闆(pan),表觀氣(qi)體質量(liang)流量由(you)式(3)定義(yi),過讀由(you)式(4)定義(yi)。本文的(de)目的是(shi)通過實(shi)驗研究(jiu)建立“過(guo)讀"相關(guan)式,然後(hou)利.用式(shi)(5)可以計(ji)算出實(shi)際氣體(ti)流量。
 
　　式(shi)(3)中:Geperen爲表(biao)觀氣體(ti)質量流(liu)量,kg/s;Op。爲兩(liang)相流時(shi)的差壓(ya),Pa;φg。爲“過讀(du)”參數。
　　前(qian)期研究(jiu)表明，影(ying)響“過讀(du)”的主要(yao)因素有(you)Lockhart-Martinelli參數XLu,氣(qi)液密度(du)比Dg、氣體(ti)Froude數Frg。相關(guan)參數計(ji)算式如(ru)下:
 
　　式(6)~(8)中(zhong):Xlm與氣液(ye)兩相質(zhi)量流量(liang)之比、密(mi)度之比(bi)有關,反(fan)映了氣(qi)液兩相(xiang)流速相(xiang)對大小(xiao);Frg與氣.相(xiang)折算速(su)度ʋrg、氣液(ye)密度相(xiang)關,可以(yi)反映氣(qi)相流速(su)、壓力、密(mi)度等因(yin)素的内(nei)在聯系(xi);氣液密(mi)度比Dg可(ke)以反映(ying)壓力變(bian)化.
1.2旋進(jin)漩渦流(liu)量計
　　旋(xuan)進漩渦(wo)流量計(ji)是一種(zhong)流體振(zhen)蕩性流(liu)量計，應(ying)用強迫(po)振動的(de)漩渦旋(xuan)進原理(li)測量流(liu)量,其特(te)點是管(guan)道内無(wu)可動部(bu)件,幾乎(hu)不受溫(wen)度、壓力(li)、密度、粘(zhan)度等變(bian)化影響(xiang),儀表輸(shu)出的脈(mo)動信号(hao)與體積(ji)流量成(cheng)正比,其(qi)單相流(liu)量計算(suan)公式爲(wei)
 
　　式(9)中:Q爲(wei)瞬時流(liu)量,kg/s;K爲單(dan)相流量(liang)特性曲(qu)線斜率(lü)，由儀表(biao)本身決(jue)定;f爲瞬(shun)時旋進(jin)頻率,Hz。
　　當(dang)管内爲(wei)氣液兩(liang)相流時(shi),旋進頻(pin)率會減(jian)小,從而(er)引起計(ji)算所得(de)流量低(di)于真實(shi)流量,這(zhe)主要是(shi)由氣液(ye)間相互(hu)作用造(zao)成的[0],本(ben)文将其(qi)定義爲(wei)“欠讀”。當(dang)液相流(liu)量繼續(xu)增大(至(zhi)1.0m'/h)時,旋進(jin)頻率會(hui)被噪聲(sheng)淹沒。定(ding)義“欠讀(du)"Lg計算公(gong)式爲
 
　　式(shi)(10)中:ƒtf爲兩(liang)相流時(shi)的旋進(jin)頻率;ƒg爲(wei)單相氣(qi)體時的(de)旋進頻(pin)率。
2槽式(shi)孔闆與(yu)旋進漩(xuan)渦流量(liang)計濕氣(qi)計量模(mo)型建立(li)
2.1實驗條(tiao)件
　　在中(zhong)國石油(you)大學大(da)型多相(xiang)流實驗(yan)環道[]上(shang)進行空(kong)氣水兩(liang)相流實(shi)驗。實驗(yan)條件爲(wei):孔徑比(bi)β取0.5和0.6、氣(qi)相流量(liang)150~650m³/h、液相流(liu)量0.2~5.0m/h.表壓(ya)0.25~0.34MPa。實驗環(huan)道可控(kong)制氣液(ye)流量穩(wen)定,混合(he)均勻,經(jing)過足夠(gou)的流型(xing)發展後(hou)進人測(ce)試段,氣(qi)液流量(liang)分别采(cai)用金屬(shu)轉子流(liu)量計和(he)質量流(liu)量計進(jin)行測量(liang),精度爲(wei)1.5%和0.2%。溫度(du)變送器(qi)精度爲(wei)0.5%,壓力、差(cha)壓變送(song)器精度(du)爲0.2%,漩渦(wo)流量計(ji)精度爲(wei)1.5%,數據采(cai)集系統(tong)采用NI公(gong)司虛拟(ni)儀器采(cai)集系統(tong)。濕氣計(ji)量測試(shi)系統示(shi)意圖見(jian)圖1.
 
2.2槽式(shi)孔闆濕(shi)氣計量(liang)模型
　　基(ji)于标準(zhun)差壓式(shi)節流元(yuan)件,前人(ren)總結了(le)影響孔(kong)闆和文(wen)丘裏管(guan)φg的主要(yao)因素,如(ru)壓力、Lockhart-Martinelli參(can)數等。在(zai)前人基(ji)礎上,進(jin)一步對(dui)影響槽(cao)式孔闆(pan)φg的因素(su)進行了(le)研究,現(xian)有的槽(cao)式孔闆(pan)中。.計算(suan)式中僅(jin)包含Dg和(he)Xlm兩個變(bian)量,而孔(kong)徑比β及(ji)氣體Froude數(shu)Fr。未考慮(lü)在内,但(dan)研究發(fa)現孔徑(jing).比β和Frg都(dou)對φg有着(zhe)顯著的(de)影響。
　　圖(tu)2爲β=0.6、表壓(ya)0.25MPa時φg與XLm、Frg的(de)三維曲(qu)面圖。由(you)圖2可以(yi)看出:當(dang)Frg相同時(shi)，φg随XLm增大(da)而增大(da),主要原(yuan)因是液(ye)相流量(liang)增大，導(dao)緻氣體(ti)流通面(mian)積減小(xiao),增大了(le)氣相對(dui)液相的(de)加速作(zuo)用,使得(de)壓降增(zeng)加。φg與Frg、XLm近(jin)似分布(bu)在--光滑(hua)平面上(shang),當Fr.g>1.5時,平(ping)面比較(jiao)光滑;而(er)當Frg<1.5時,平(ping)面比較(jiao)陡峭。根(gen)水平管(guan)氣液兩(liang)相流型(xing)圖，Frg=1.5位于(yu)分層流(liu)和環狀(zhuang)流的分(fen)界線上(shang),因此平(ping)面出現(xian)陡峭是(shi)由于流(liu)型變化(hua)造成的(de)。對孔徑(jing)比爲0.5的(de)孔闆也(ye)進行了(le)研究,結(jie)論也是(shi)如此。
 
　　因(yin)此,本文(wen)引人孔(kong)徑比β和(he)Frg參數，同(tong)時對多(duo)年不同(tong)實驗條(tiao)件下的(de)數據進(jin)行分析(xi),建立的(de)槽式孔(kong)闆過讀(du)φg相關式(shi)爲
 
　　利用(yong)式(1)和實(shi)際氣體(ti)質量流(liu)量計算(suan)可得單(dan)相氣體(ti)差壓△pe,代(dai)入式(4)可(ke)得中。;利(li)用壓力(li)、溫度、氣(qi)液兩相(xiang)流量計(ji)算可得(de)Xuu、Fr、Dg。
　　利用TableCurve3D軟(ruan)件對孔(kong)徑比爲(wei)0.5和0.6的實(shi)驗數據(ju)進行曲(qu)面拟合(he)并通過(guo)線性回(hui)歸,得到(dao)φg計算式(shi)爲.
 
　　式(12)即(ji)爲槽式(shi)孔闆濕(shi)氣計量(liang)模型。圖(tu)3是利用(yong)本文模(mo)型對氣(qi)體實際(ji)流量預(yu)測的相(xiang)對誤差(cha)絕對值(zhi),可.以看(kan)出效果(guo)較好,氣(qi)體流量(liang)總體平(ping)均誤差(cha)僅爲2.09%,且(qie)在92%的置(zhi)信概率(lü)下氣相(xiang)流量相(xiang)對誤差(cha)均小于(yu)5%，
 
2.3旋(xuan)進漩渦(wo)流量計(ji)濕氣計(ji)量模型(xing)
　　前期研(yan)究表明(ming),氣液兩(liang)相流量(liang)與旋進(jin)頻率有(you)關,但并(bing)未給出(chu)流量計(ji)算模型(xing)。通過對(dui)兩相流(liu)旋進頻(pin)率數據(ju)進行分(fen)析,研究(jiu)XLm、Frg對“欠讀(du)”的影響(xiang),最後利(li)用非線(xian)性回歸(gui)方法建(jian)立了“欠(qian)讀"L計算(suan)式。
　　利用(yong)式(9)和實(shi)際氣體(ti)質量流(liu)量計算(suan)可得單(dan)相氣體(ti)頻率ƒg,代(dai)人式(10)可(ke)得Lg利用(yong)壓力、溫(wen)度、氣液(ye)兩相流(liu)量可得(de)Xlm、Frg.由于液(ye)相流量(liang)大于1.0m³/h時(shi)旋進頻(pin)率會被(bei)噪聲淹(yan)沒,故實(shi)驗時液(ye)相流量(liang)控制在(zai)1.0m³/h之内。
　　圖(tu)4爲表壓(ya)0.25MPa、液相流(liu)量小于(yu)1.0m³/h時Lg随XLm的(de)變化規(gui)律。從圖(tu)4可以看(kan)出:Lg随XLm的(de)增大而(er)減小;相(xiang)同XLu條件(jian)下,Frg越大(da),“欠.讀"Lg越(yue)小,這主(zhu)要是由(you)液相流(liu)量增大(da),旋進頻(pin)率信号(hao)減弱造(zao)成的。
 
值(zhi),可以看(kan)出當液(ye)相流量(liang)小于1.0m³/h時(shi),氣體流(liu)量總體(ti)平均誤(wu)差小于(yu)2.7%,且在95%的(de)置信概(gai)率下氣(qi)相流量(liang)相對誤(wu)差均小(xiao)于5%。
3穩态(tai)計量模(mo)型建立(li)
　　利用單(dan)相氣體(ti)流量計(ji),通過濕(shi)氣計量(liang)修正模(mo)型計量(liang)時,必須(xu)測得XLm參(can)數,且必(bi)須在現(xian)場工作(zuo)條件下(xia)基本穩(wen)定。當現(xian)場XLm參數(shu)可測的(de)情況下(xia),利用本(ben)文槽式(shi)孔闆或(huo)旋進漩(xuan)渦相關(guan)式可得(de)到較高(gao)的計量(liang)精度,但(dan)一般情(qing)況下該(gai)參數不(bu)易測量(liang)且頻繁(fan)變化,在(zai)這種情(qing)況下僅(jin)采用一(yi)種單相(xiang)氣體流(liu)量計進(jin)行計量(liang)是不切(qie)實際的(de)。因此,考(kao)慮采用(yong)2種或多(duo)種不同(tong)特性的(de)流量計(ji)同時計(ji)量,通過(guo)叠代計(ji)算,消去(qu)未知參(can)數影響(xiang),進行濕(shi)氣流量(liang)計量。其(qi)基本思(si)路是:将(jiang)基于槽(cao)式孔闆(pan)差壓、旋(xuan)進頻率(lü)建立的(de)兩相流(liu)量修正(zheng)計算式(shi)構成方(fang)程組，即(ji)建立穩(wen)态計量(liang)模型,然(ran)後通過(guo)叠代求(qiu)解計算(suan)氣液相(xiang)流量及(ji)質量含(han)氣率。穩(wen)态計量(liang)模型求(qiu)解流程(cheng)圖見圖(tu)6,圖中下(xia)标“1"表示(shi)槽式孔(kong)闆相應(ying)參數,下(xia)标“2”表示(shi)旋進漩(xuan)渦相應(ying)參數。叠(die)代分爲(wei)内外2個(ge)循環。給(gei)定XLm=XLmin,分别(bie)由2個方(fang)程叠代(dai)計算質(zhi)量流量(liang)Gg1.Gg2,通過内(nei)循環使(shi)Gg1.Gg2收斂。然(ran)後通過(guo)判斷2個(ge)質量流(liu)量是否(fou)足夠小(xiao)，如果滿(man)足精度(du),則記錄(lu)該值;否(fou)則,增加(jia)XLM重新進(jin)入内循(xun)環進行(hang)計算,直(zhi)到滿足(zu)精度爲(wei)止或者(zhe)XLM超出最(zui)大值，結(jie)束該點(dian)計算,選(xuan)取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述(shu)穩态計(ji)量模型(xing)是在均(jun)值數據(ju)上建立(li)的。爲了(le)分析模(mo)型對瞬(shun)時數據(ju)測量結(jie)果,通過(guo)對原始(shi)數據進(jin)行預處(chu)理,再由(you)穩态計(ji)量模型(xing),利用LabVIEW軟(ruan)件進行(hang)氣相流(liu)量測量(liang)。選取氣(qi)相流量(liang)分别爲(wei)680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流(liu)量分别(bie)爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進行(hang)實驗,結(jie)果表明(ming),對液相(xiang)流量小(xiao)于1.0m³/h的工(gong)況,氣相(xiang)流量計(ji)算相對(dui)誤差在(zai)5%以内。由(you)于數據(ju)量較大(da),本文僅(jin)對液相(xiang)流量分(fen)别爲0.2和(he)0.4m³/h工況下(xia)的實驗(yan)數據進(jin)行處理(li)分析,每(mei)個工況(kuang)時間長(zhang)度取2min,每(mei).隔1s對溫(wen)度、壓力(li)、差壓和(he)實際氣(qi)體流量(liang)進行濾(lü)波及取(qu)平均,并(bing)計算每(mei)秒的旋(xuan)進頻率(lü)。對1920個實(shi)驗點進(jin)行處理(li),結果見(jian)圖7。
 
　　從圖(tu)7可以看(kan)出,在液(ye)相流量(liang)爲0.2和0.4m³/h條(tiao)件下,利(li)用穩态(tai)模型計(ji)算氣體(ti)瞬時流(liu)量的相(xiang)對誤差(cha)均在5%以(yi)内。同時(shi)可以看(kan)出，此方(fang)法比單(dan)獨采用(yong)修正計(ji)算式誤(wu)差較大(da)，主要原(yuan)因是叠(die)代計算(suan)所得到(dao)的XLM存在(zai)一定偏(pian)差。
4結論(lun)
(1)建立了(le)槽式孔(kong)闆濕氣(qi)計量模(mo)型,在測(ce)試條件(jian)範圍内(nei),氣相流(liu)量總體(ti)平均誤(wu)差2.09%，且在(zai)92%的置信(xin)概率下(xia)相對誤(wu)差均小(xiao)于5%。對旋(xuan)進漩渦(wo)流量計(ji)兩相測(ce)量特性(xing)做了探(tan)索性研(yan)究,定義(yi)了“欠讀(du)”因子Lg,研(yan)究表明(ming),L。随XLm的增(zeng)大而減(jian)小，在相(xiang)同XLM條件(jian)下,Frg越大(da),Lg越小。通(tong)過分區(qu)間拟合(he),建立了(le)旋進漩(xuan)渦流量(liang)計濕氣(qi)計量模(mo)型,在液(ye)相流量(liang)小于1.0m³/h範(fan)圍内,氣(qi)體流量(liang)總體平(ping)均誤差(cha)小于2.7%,且(qie)在95%的置(zhi)信概率(lü)下氣相(xiang)流量相(xiang)對誤差(cha)均小于(yu)5%。
(2)槽式孔(kong)闆結合(he)旋進頻(pin)率相關(guan)式建立(li)了穩态(tai)計量模(mo)型,通過(guo)LabVIEW軟件進(jin)行了瞬(shun)時流量(liang)測試,結(jie)果表明(ming)在本文(wen)實驗條(tiao)件下,對(dui)于液相(xiang)流量小(xiao)于1.0m³/h的工(gong)況,氣相(xiang)流量計(ji)算相對(dui)誤差均(jun)在5%以内(nei),可爲後(hou)續計量(liang)軟件開(kai)發提供(gong)參考依(yi)據。本文(wen).研究是(shi)在多年(nian)實驗數(shu)據基礎(chu)上進行(hang)的,與生(sheng)産現場(chang).的工況(kuang)(包括壓(ya)力,溫度(du)、介質屬(shu)性、管徑(jing))有較大(da)差.别,所(suo)以本文(wen)提出的(de)穩态計(ji)量模型(xing)還需要(yao)大量的(de)現場試(shi)驗研究(jiu).
(3)國内外(wai)尚無基(ji)于旋進(jin)漩渦流(liu)量計的(de)濕氣計(ji)量研究(jiu),對于大(da)液量條(tiao)件下的(de)漩渦特(te)性,仍須(xu)做進一(yi)步研究(jiu)。另外,基(ji)于單相(xiang)差壓式(shi)流量計(ji)(孔闆、文(wen)丘裏管(guan))的濕氣(qi)計量修(xiu)正模型(xing)均在實(shi)驗條件(jian)下精度(du)較.高,所(suo)以建立(li)計算式(shi)系數可(ke)随現場(chang)實際情(qing)況變化(hua)的計量(liang)模型,也(ye)是下一(yi)步的研(yan)究方向(xiang)。

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